ナノロボティクス（Nanorobotics）は、ナノメートル（10〜9メートル）規模のコンポーネントまたはその近くにある機械またはロボットを作成する新興技術分野です。 より具体的には、（マイクロロボティクスとは対照的に）ナノロボティックスとは、ナノロボを設計および構築するナノテクノロジー工学分野で、サイズが0.1〜10マイクロメーターで、ナノスケールまたは分子成分で構成されるデバイスを指す。 ナノボット、ナノワイヤ、ナノナイト、ナノマシン、またはナノマットという用語は、現在研究および開発中のこのようなデバイスを記述するためにも使用されている。
ナノマシンは主に研究開発段階にありますが、いくつかの原始的な分子機械とナノモーターがテストされています。 一例は、化学サンプル中の特定の分子を数えることができる約1.5ナノメートルのスイッチを有するセンサである。 ナノマシンの最初の有用な用途は、ナノ医薬品であり得る。 例えば、生物学的機械を用いて癌細胞を同定し、破壊することができる。 もう1つの潜在的な用途は、毒性化学物質の検出、および環境中のその濃度の測定です。 Rice Universityは、化学プロセスによって開発され、車輪用のBuckminsterfullerenes（buckyballs）を含む単一分子車を実証しました。 これは、環境温度を制御し、走査型トンネル顕微鏡チップを位置決めすることによって作動される。
別の定義は、ナノスケールの物体との正確な相互作用を可能にするロボット、またはナノスケールの分解能で操作することができるロボットである。 このようなデバイスは、分子機械としてのナノロボの記述の代わりに、顕微鏡法または走査型プローブ顕微鏡法にさらに関連している。 顕微鏡法の定義を用いると、原子間力顕微鏡のような大きな装置であっても、ナノマニピュレーションを実行するように構成された場合、ナノロボ装置とみなすことができる。 この観点から、ナノスケールの精度で動くことができるマクロスケールのロボットまたはマイクロロボットも、ナノロボと考えることができる。
ナノロボティクス理論
リチャードファインマンによると、ファインマンの理論的なマイクロマシン（nanomachine参照）の医学的使用のアイデアを元の彼（1959年頃）に提案したのは、彼の元大学院生であったAlbert Hibbsだった。 Hibbsはある種の修復機械は、理論的には（ファインマンが述べたように）「外科医を飲み込む」ことが可能になるまで、ある日、サイズを縮小する可能性があると示唆していた。 このアイデアは、Feynmanの1959年のエッセイ「底にたくさんの部屋があります」に組み込まれました。
ナノロボのサイズは微視的であるため、非常に多くの人が微視的かつ巨視的な作業を行うために一緒に作業する必要があるでしょう。 これらのナノロボット群は、（霧のように）複製することができないものと、自然環境（灰色のグーとそれほど一般的でないもの（合成生物学や霧）など）に拘束されないものを複製することができるものの両方が、 Star TrekとThe Outer LimitsのBorgのナノロブなどのフィクションの物語「The New Breed」。
以前に伝播するのを助けた灰色のゴーシナリオに反応して、ナノロボの支持者の中には、制限された工場環境外で複製できるナノロボが、生産されたナノテクノロジーの必要な部分を形成しないという見解があり、自己複製は、これまでに開発されたものであっても、本質的に安全にすることができます。 彼らはさらに、分子製造の開発と使用の現在の計画には、実際に自由採取のレプリケーターは含まれていないと主張している。
センシング、電力伝達、ナビゲーション、操作、移動、車載計算などの特定の設計問題を含む、ナノロボットの最も詳細な理論的議論は、Robert Freitasのナノ医学の医学的文脈で提示されている。 これらの議論のいくつかは、ビルド不可能な一般性のレベルに留まり、詳細なエンジニアリングのレベルには近づかない。
法的および倫理的影響
オープンテクノロジー
オープンソースのハードウェアとオープンソースのソフトウェアのように、オープン設計技術を用いたナノバイオ技術開発に関する提案書は、国連総会に提出されました。 国際連合に送られた文書によれば、近年オープンソースがコンピュータシステムの開発を加速させたのと同じように、同様のアプローチが社会全体に利益をもたらし、ナノロボの開発を加速するはずである。 ナノバイオテクノロジーの利用は、次世代の人類遺産として確立され、平和目的の倫理的実践に基づくオープンな技術として開発されるべきである。 オープンな技術は、そのような目的のための基本的な鍵として述べられています。
ナノロボットのレース
技術研究と開発が宇宙競争と核兵器競争を引き起こしたのと同じように、ナノロボの競争が起こっている。 新たな技術の中にナノロボを含めることができる十分な土台があります。 その理由のいくつかは、General Electric、Hewlett-Packard、Synopsys、Northrop Grumman、Siemensなどの大企業が最近ナノロボの開発と研究に取り組んでいることです。 外科医が関与し、一般的な医療処置にナノロボットを適用する方法を提案し始めている。 大学や研究機関には、医療用ナノデバイスの研究開発に20億ドルを超える政府機関の資金が供与された。 銀行家は、今後のナノロボの商業化の権利とロイヤルティを事前に取得する意向で戦略的に投資している。 独占に関連したナノロボの訴訟および関連する問題のいくつかの側面はすでに生じている。 多くの特許は、主に特許代理人、特許ポートフォリオの構築に特化した企業、弁護士のために行われたナノロボで最近付与されています。 長い一連の特許と最終的な訴訟の後、例えばRadio of InventionやCurrent of Warの記事を参照してください。新興の技術分野は、大企業に支配される独占になる傾向があります。
製造アプローチ
分子構成要素から組み立てられたナノマシンを製造することは非常に困難な作業である。 困難なレベルのため、多くのエンジニアと科学者は、この新しい開発領域でブレークスルーを達成するために、多分野のアプローチを通じて協力し続けています。 従って、ナノロボの製造に現在適用されている以下の異なる技術の重要性は、かなり理解できる。
バイオチップ
ナノエレクトロニクス、フォトリソグラフィ、および新しい生体材料の共同使用は、手術器具、診断、および薬物送達などの一般的な医療用途のナノロボを製造するための可能なアプローチを提供する。 ナノテクノロジーのスケールで製造するこの方法は、2008年以来エレクトロニクス業界で使用されています。したがって、実用的なナノロボをナノエレクトロニクスデバイスとして統合し、遠隔操作と医療機器の高度な機能を実現する必要があります。
Nubots
核酸ロボット（nubot）は、ナノスケールの有機分子機械である。 DNA構造は、2Dおよび3Dナノメカニカルデバイスをアセンブルする手段を提供することができる。 DNAベースの機械は、小分子、タンパク質および他のDNA分子を用いて活性化することができる。 DNA材料に基づく生物学的回路ゲートは、標的化された健康問題のためのインビトロ薬物送達を可能にする分子機械として設計されている。 このような材料ベースのシステムは、スマート生体材料薬物システム送達に最も密接に作用するが、そのような操作されたプロトタイプの正確な生体内遠隔操作は不可能である。
表面結合システム
いくつかの報告は、合成分子モーターの表面への結合を実証している。 これらの原始的なナノマシンは、巨視的な材料の表面に閉じ込められたとき機械的な動きを受けることが示されている。 表面固定モータは、コンベアベルトのような方法でナノスケール材料を移動させて表面上に配置するために潜在的に使用される可能性がある。
位置ナノアセンブリ
2000年にRobert FreitasとRalph Merkleによって設立され、10の組織と4カ国の23人の研究者が参加したNanofactory Collaborationは、位置制御ダイヤモンドメカノシンセシスとダイヤモンドイドナノファクトの開発を目的とした実用的な研究アジェンダの開発に重点を置いていますダイヤモンドイド医療ナノロボ。
バイオハイブリッド
バイオハイブリッドシステムの新興分野は、生物医学またはロボット応用のための生物学的および合成的構造要素を組み合わせている。 バイオナノ電気機械システム（BioNEMS）の構成要素は、ナノスケールのサイズであり、例えば、DNA、タンパク質またはナノ構造機械部品である。 Thiol-ene ebeamレジストは、ナノスケールのフィーチャの直接描画を可能にし、続いて生体分子によるネイティブに反応するレジスト表面の官能化を可能にする。 他のアプローチでは、磁性粒子に付着した生分解性材料を使用して、それらを身体の周りに誘導することができる。
細菌ベース
このアプローチは、細菌Escherichia coliおよびSalmonella typhimuriumのような生物学的微生物の使用を提案する。 従って、モデルは推進目的のために鞭毛を使用する。 電磁場は、通常、この種の生物学的統合装置の動作を制御する。 ネブラスカ大学の化学者は、バクテリアをシリコンコンピューターチップに融合させることによって湿度計を作りました。
ウイルスベース
レトロウイルスは、細胞に付着してDNAを置換するように再トレーニングすることができる。 それらは逆転写と呼ばれる過程を経てベクター内に遺伝子パッケージングを行います。 通常、これらのデバイスは、Capsid and DeliveryシステムのウイルスのPol-Gag遺伝子です。 このプロセスはレトロウイルス遺伝子治療と呼ばれ、ウイルスベクターの使用によって細胞DNAを再構築する能力を有する。 このアプローチは、レトロウイルス、アデノウイルスおよびレンチウイルス遺伝子送達系の形態で出現している。 これらの遺伝子治療ベクターは、遺伝子を遺伝子改変生物（GMO）に送達するためにネコで使用されており、その形質を表示する。
3D印刷
3D印刷は、三次元構造が添加剤製造の様々なプロセスによって構築されるプロセスである。 ナノスケールの3D印刷には、同じプロセスの多くが含まれ、より小さなスケールで組み込まれています。 5〜400μmのスケールで構造を印刷するために、3D印刷機の精度が大幅に改善されています。 3D印刷とレーザーエッチングされたプレート法を使用する3D印刷の2ステッププロセスが改良技術として組み込まれました。 より正確にはナノスケールでは、3D印刷プロセスはレーザーエッチング装置を使用し、ナノロボのセグメントに必要な詳細を各プレートにエッチングします。 次いで、プレートを3Dプリンターに移し、エッチングされた領域を所望のナノ粒子で充填する。 3D印刷プロセスは、ナノロボットがボトムアップから構築されるまで繰り返される。 この3D印刷プロセスには多くの利点があります。 第1に、印刷プロセスの全体的な精度が向上します。 第2に、ナノロボットの機能的セグメントを作り出す可能性がある。 3Dプリンタは、液状樹脂を使用し、集光されたレーザビームによって正確に正しいスポットで硬化される。 レーザービームの焦点は、移動可能なミラーによって樹脂を通って案内され、数百ナノメートルの幅の固体ポリマーの硬化した線の後ろに残る。 この素晴らしい解像度は、複雑な構造の彫刻を小さな砂のように作成することを可能にします。 このプロセスは、光活性樹脂を使用することによって行われ、光活性樹脂は、非常に小さなスケールでレーザーによって硬化されて構造を形成する。 このプロセスは、ナノスケールの3D印刷標準によって迅速に行われます。 超小型機能は、多光子光重合で用いられる3D微細加工技術を用いて作製することができる。 このアプローチは、集束されたレーザーを使用して、所望の3D物体をゲルのブロックにトレースする。 光励起の非線形性のために、ゲルは、レーザーが集束された場所でのみ固体に硬化され、残りのゲルは洗い流される。 100 nm未満のフィーチャサイズが簡単に生成されるほか、可動部分とインターロック部分を持つ複雑な構造も簡単に作成できます。
潜在的な用途
ナノ医薬品
医療におけるナノロボの潜在的な用途には、癌の早期診断と標的薬物送達、生物医学機器、手術、薬物動態、糖尿病のモニタリング、および医療が含まれる。
そのような計画では、将来の医療ナノテクノロジーは、患者に注入されたナノロボを用いて細胞レベルで作業を行うことが期待されている。 医療における使用を目的としたこのようなナノロボは、複製が不必要に装置の複雑さを増大させ、信頼性を低下させ、医療ミッションを妨害するので、非複製であるべきである。
ナノテクノロジーは、医薬品の供給を最適化するためのカスタマイズされた手段を開発するための幅広い新技術を提供しています。 現在、化学療法などの治療の有害な副作用は、通常、意図する標的細胞を正確に特定しない薬物送達方法の結果である。 しかし、HarvardとMITの研究者らは、直径10nmに近い特殊なRNA鎖をナノ粒子に付着させ、化学療法薬でそれらを満たすことができました。 これらのRNA鎖は癌細胞に引き寄せられる。 ナノ粒子が癌細胞に遭遇すると、それに付着し、癌細胞に薬物を放出する。 この薬物送達の指向方法は、悪影響（一般に不適切な薬物送達に関連する）を回避しながら、癌患者を治療する大きな可能性を有する。 生体内で動作するナノモーターの最初のデモンストレーションは、カリフォルニア大学サンディエゴ校で2014年に実施されました。 MRI誘導ナノカプセルは、ナノロボの潜在的前駆物質の1つです。
ナノロボの別の有用な応用は、白血球と並んで組織細胞の修復を助けることである。 患部への炎症細胞または白血球（好中球顆粒球、リンパ球、単球および肥満細胞を含む）を募集することが、損傷に対する組織の最初の反応である。 小さなサイズのために、ナノロボは、募集された白血球の表面に付着し、血管の壁を通り抜けて傷害部位に到達し、組織修復プロセスを助けることができる。 回復を加速するために特定の物質を使用する可能性があります。
このメカニズムの背後にある科学は非常に複雑です。 血液内皮を横切る細胞の通過は、遊走として知られているプロセスであり、接着分子に対する細胞表面受容体の関与、能動的な力の働きおよび血管壁の拡張、および移動する細胞の物理的変形を含むメカニズムである。 移動する炎症細胞に自分自身を付着させることによって、ロボットは、自分自身の複雑な遊走機構の必要性を回避して、血管を横切って効果的に「乗る」ことができる。
米国では、食品医薬品局（FDA）は2016年時点で、サイズに基づいてナノテクノロジーを規制しています。
Soutik Betalは、テキサス大学での博士論文の研究中、電磁場によって遠隔制御されるナノコンポジット粒子を開発しました。 ギネス世界記録に登録されているこの一連のナノロボは、生物細胞と相互作用するために使用できます。 科学者は、この技術が癌の治療に使用できることを示唆している。
文化的な参考資料
ナナイツは、TVショーミステリーサイエンスシアター3000に登場するキャラクターです。彼らは船上で働いてSOLのコンピューターシステムに常駐する自己複製生物工学生物です。 彼らはシーズン8にはじめて登場した。
Nanitesは、Netflixシリーズの “Travelers”シリーズのいくつかのエピソードで使用されています。 彼らはプログラムされ、修理を行うために負傷者に注射される。